關(guān)于模擬數據采集的設計權衡的分析與研究

使用了過(guò)采樣，就可以用數字濾波器降低噪聲。過(guò)采樣與濾波器越多，則噪聲抑制能力越好，但系統會(huì )更慢。Ivchenko 指出，采用 22n 過(guò)采樣及使用一個(gè)數字均化濾波器會(huì )提高噪聲性能。下表列出了給定位數下需要多少過(guò)采樣才能提高噪聲性能的情形。
　　
對給定位數提高噪聲性能需要的過(guò)采樣值
　　
Ivchenko 在 ADC 后加了一個(gè)“磚墻式”（120 dB/倍頻程）數字有限脈沖響應（FIR）濾波器，以降低噪聲并提取出感興趣的頻譜。然后，他提取一部分數據或作一個(gè)移動(dòng)平均，使采樣速率能為應用所接受。

　　
低壓 ADC 與運放要求有足夠的供電電流，才能在數據轉換期間保持信號穩定。Hyde 說(shuō)：“設計者挑選的運放和電壓基準經(jīng)常沒(méi)有足夠的驅動(dòng)能力。一個(gè)電壓基準可能同時(shí)需要流出和流入電流?！币粋€(gè) ADC 可能有一個(gè)動(dòng)態(tài)輸入阻抗，而且可能需要一個(gè)低阻抗信號源作充分的耦合，才能維持基準電壓電平。
　　
National Instruments 的模擬設計工程師 Luis Orozco 稱(chēng)：“SAR 轉換器需要一種很低的輸出阻抗源來(lái)保持輸入信號在轉換期間不會(huì )變化。由于 SAR ADC 一般對其電源表現為高動(dòng)態(tài)負載，我們要小心地旁路所有器件?！彼赋?，給一個(gè) ADC 配用正確的運放非常重要。
　　
Orozco 說(shuō)：“一個(gè)運放要具備實(shí)現特定 ADC 規格的性能，它消耗的電流要比 ADC 自身多數倍?！盇DC 的基準輸入與信號輸入表現類(lèi)似。低功耗器件（如電壓基準）可能需要電容器或緩沖器，從而在 ADC 對基準采樣時(shí)保持輸出的穩定電平。
　　
Ivchenko 補充說(shuō)：“不僅如此，還應采用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的旁路電容?？赡艿脑?huà)盡量用 X7R 陶瓷電容，而不用鉭電容。電容器必須有足夠快的充放電速度，才能在轉換期間為 ADC 提供足夠的峰值電流?！备?ESR 會(huì )增加電容器的充放電時(shí)間。
　　
圖 2 給出了提供充足電流的兩種方法。在圖 2a 中，一只電容器存儲能量，當 ADC 需要更多電流來(lái)保持基準電壓穩定時(shí)，電容為其供電。一般 22?F 的電容就夠用了，但要查看ADC 數據手冊來(lái)確認這一點(diǎn)。在圖 2b 中，運放用于 ADC 電壓基準的緩沖。運放給電壓基準提供了高阻抗輸入，同時(shí)其低阻抗輸出能為 ADC 提供充足的電流。雖然運放方案更講究，但它為 Vref 增加了一個(gè)偏置電壓，這會(huì )增加系統噪聲、功耗，而且成本也更高。
　　
差分輸入
　　
為改善動(dòng)態(tài)范圍和噪聲抑制能力，應在數據采集系統中采用差分輸入。使用差分輸入時(shí)（與單端輸入相反），兩根信號線(xiàn)上的任何信號都被共模抑制（CMR）放大器或 ADC 排除掉了。如果傳感器輸出是單端的，可使用一種單端-差分轉換驅動(dòng)電路（圖 3）。數據采集系統可以設計為使用單端輸入或差分輸入。
　　
很多數據采集系統都用一個(gè)復用器來(lái)增加通道。復用器中的電阻與電容會(huì )影響信號的完整性。例如，來(lái)自復用器的電荷注入會(huì )將 DC 信號轉變?yōu)?AC 信號。導通電阻（Ron）與寄生電容相結合，就形成了一個(gè)低通濾波器，它有一個(gè) RC 時(shí)間常數。圖 4 表示如果時(shí)間常數相對于采樣時(shí)間過(guò)長(cháng)將會(huì )發(fā)生的事情。